CH644717A5

CH644717A5 - Nicht ebener ringlaser.

Info

Publication number: CH644717A5
Application number: CH1143579A
Authority: CH
Inventors: Virgil Eugene Sanders; Dana Z Anderson
Original assignee: Litton Systems Inc
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1984-08-15
Also published as: FR2454203B1; FR2454203A1; IL58688A; SE7910492L; SE444364B; GB2038081B; DE2944547A1; IT1164101B; US4247832A; GB2038081A; CA1128179A; JPS5810871B2; JPS5591188A; IT7951183A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen nicht ebenen Ringlaser mit mindestens drei ausgewählten Spiegelpaaren im Laserstrahl weg.

Ringlaser sind z.B. in Monte Ross: «Laser Applications», Academic Press, Inc., New York, NY, 1971 beschrieben, wobei auf den Seiten 134 bis 200 insbesondere Laser-Gyro-skope behandelt werden.

Es ist bekannt, dass in einem Ringlaser zwei entgegengesetzt rotierende Laserstrahlen erzeugt werden können. Wenn der Ringlaser um eine einzelne Achse rotiert wird, welche sich zentral durch den Ringlaser erstreckt, so verschiebt sich die Oszillationsfrequenz, wobei die Frequenz des sich in Richtung der Rotation ausbreitenden Strahles erniedrigt und die Frequenz des sich entgegengesetzt der Rotationsrichtung ausbreitenden Strahles erhöht wird. Der Betrag der Rotation kann durch Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen den entgegengesetzt rotierenden Strahlen ermittelt werden. Bei Verwendung einer Anordnung von drei Laser-Gyroskopen welche wechselseitig senkrechte Abfühlachsen aufweisen, kann das Phänomen in einem Trägheits-Richtsystem zur Bestimmung der Rotation und der Orientierung z.B. eines Flugzeuges verwendet werden.

Bei den oben erwähnten Ringlasern bestehen die reflektierenden Oberflächen aus dielektrischem Material, im Normalfall etwa aus 15 bis 30 Schichten. Sie sollten geeignete Reflexionseigenschaften sowohl für die P-Polarisation (d.h. der elektrische Vektor ist parallel zur Einfallsebene), als auch ffi' die S-Polarisation (d.h. der elektrische Vektor ist senkrech' zum P- Vektor) aufweisen Leider ist es fast unmöglich, reflektierende Oberflächen oder Spiegel herzustellen, welche nur eine kleine oder gar keine Phasen-Anisotropie beim gewünschten Einfallswinkel aufweisen. Im weiteren beeinflussen die Temperatur und andere Änderungen die Anisotropie. Die Hersteller solcher dielektrischer Spiegel können die selben nicht konsequent mit den isotropen Phasen- und Dämpfungseigenschaften für P- und S-Polarisation bei den gewünschten Einfallswinkeln herstellen, d.h. 30° für einen Ringlaser mit drei Spiegeln und 45 - für einen Ringlaser mit vier Spiegeln.

Wenn Ringlaser mit diesen mangelhaften oder anisotropen Spiegeln konstruiert werden, entsteht eine starke Kopplung zwischen den Moden, wobei es schwierig wird, einen Multioscillator-Betrieb zu erreichen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effekte der anisotropen Reflexion in einem Ringlaser wesentlich zu eliminieren.

Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung, einen nicht ebenen Ringlaser zu schaffen, bei welchem anisotrope Effekte aufgehoben werden.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass jeder Spiegel jedes Paares im wesentlichen die gleichen anisotropen Eigenschaften wie der andere Spiegel in seinem Paar aufweist, wobei die Einfallsebene jedes Spiegels im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene mindestens eines der benachbarten Spiegel im Laserstrahlweg ist und die Einfallswinkel für beide Spiegel in jedem der ausgewählten, aufeinander abgestimmten Spiegelpaare im wesentlichen gleich sind.

Vorzugsweise wird der Ringlaser aus einem Materialblock mit der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds hergestellt. Es werden Löcher von der Lage eines Spiegels zur Lage eines benachbarten Spiegels parallel zum gewünschten Laserweg im Block gebohrt. Einzelne Kanten des Materialblocks werden bestossen oder unter einem geeigneten Winkel weggeschnitten, um Montierflächen für die reflektierenden Oberflächen oder Spiegel zu schaffen. Im weiteren können zusätzlich passende Anoden- oder Kathoden-Anordnungen sowie Elemente zur Multimodeerzeugung zugefügt werden, um ein Laser-Gyroskop zu schaffen.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass mit dieser Geometrie, d.h. wenn Spiegel mit im wesentlichen gleichen anisotropen Eigenschaften paarweise verwen5

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det werden, die relative Abschwächung und Phasenverschiebung zwischen der S- und P-Polarisation verschwindet. Deshalb wird die Kopplung zwischen den Moden im wesentlichen unterdrückt, wobei ein verbessertes Multioszilator-Laser-Gyroskop erhalten wird.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schrägansicht einer typischen Ausführungsform mit sechs Spiegeln

Fig. 2 bis 7 Ansichten der Seitenflächen des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 1

Fig. 8 eine schematische Schrägansicht eines typischen Ausführungsbeispieles mit acht Spiegeln

Fig. 9 bis 14 Ansichten der Seitenflächen des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 8

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Phasen-Winkeldifferenz infolge der Doppelbrechung als Funktion des Einfallswinkels des Spiegels.

Ein Block 10, 12 besteht aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung, welches normalerweise bei der Herstellung von Laser-Gyroskopen verwendet wird. Der Block 10, 12 kann z. B. aus Quarz oder aus sogenanntem «U.L.E.»-Titan-Silikat (Coming) oder aus «Cervet» (Owens Illinois) hergestellt vv;rden.

Mit der geometrischen Anordnung der Spiegel kann eine in beziig auf linejrc Phasen-Doppelbrechung und Dämpfungs-Anisotropie isotrope Kavität für einen Ringlaser geschaffen v/srdän. Aus den Fig. i bis 7 ist ein nicht ebener Ringlaser mit ••ech« Spiegein ersichtlich. In den Fig. 8 bis 14 ist ein Ringlaser mit acht Spiegeln dargestellt. Die Anisotropie der Spiegel muss durch identische Beschichtungspaare angepasst werden. Die geometrische Anordnung wird so gewählt, dass beide, der Phasen- und Verlust 'Qs Anisotropiebeitrag im Ringlaser durch jedes Paar der aufeinander abgestimmten Spiegel null wird. Das methematische «Null»--Resultat wird anhand einem Paar von benachbarten ange-passten Spiegeln demonstriert. Der Nullwert wird erreicht durch die zu einander senkrechten Einfallsebenen eines Paars von benachbarten, angepassten Spiegeln sowie durch die Gleichheit der Einfallswinkel. Eine Jones-Matrizen-Analyse von zwei identischen Spiegeln, die geometrisch erfindungsge-mäss angeordnet sind, demonstriert dieses Nullresultat:

C(8) R (90° ) C(S) = xy R (90° ) ( 1 )

wobei die Jones-Matrix einen anisotropen Spiegel mit im wesentlichen linearer Doppelbrechung 8 darstellt, wobei die Doppelbrechung mit dem Einfallswinkel variiert, und x und y die P- respektive S-Refle-xionsgrade beider Spiegel sind.

R (90°)

ist eine Matrix, welche eine Drehung der Einfallsebene um 90° nach der Reflexion am ersten Spiegel des Paares darstellt. Das Resultat des Reflexionspaares gemäss Gleichung (1)

weist keine Doppelbrechung 8, sondern nur eine Drehung um 90° auf.

Die anisotropen, angepassten Spiegel müssen nicht benachbart sein. Obwohl die oben angeführten Rechnungen ein Paar benachbarter Spiegel voraussetzen, können die Spiegel in der ganzen Apparatur willkürlich untereinander vertauscht werden, ohne dass die anisotrope Auslöschung aufgehoben wird.

Im Grunde genommen zeigen alle mehrschichtigen dielektrischen Spiegel bis zu einem gewissen Grad Phasen und Q-Anisotropie für Reflexionen bei schrägen Einfallswinkeln. Fig. 15 zeigt eine graphische Darstellung, der durch die Spiegelreflexion verursachten Phasendoppelbrechung als Funktion des Einfallswinkels für verschiedene Spiegel. Die in Fig. 15 gezeigten Kurven beziehen sich auf drei verschiedene Spiegel. Zwei angepasste Spiegel würden durch eine einzige, der in Fig. 15 gezeigten Kurven, dargestellt. Die Dicke der Schicht und der Brechungsindex sind ausserordentlich kritische Parameter bei hoch reflektierenden, mehrschichtigen dielektrischen Anordnungen in bezug auf den Winkel der Phasenverschiebung. Diese Grössen sind schwierig zu steuern und zu überwachen. Werden zwei solche Spiegel zur selben Zeit in nächster Nähe beschichtet, so weisen sie fast identische Phasenverschiebungs-Winkel der Einfallskurven auf. Aus dieser Eigenschaft ergibt sich ein einfacher Weg zur Erhaltung angepasster Paare von identischen Spiegeln. Mit der oben erwähnten geometrischen Anordnung bei einem Resonator mit acht Spiegeln konnte eine Reduktion um den Faktor 103 in der Anisotropie bei vier aufeinander abgestimmten Spiegelpaaren erzielt werden.

Die grundlegenden Anforderungen an den Laserstrahlweg gemäss dieser Erfindung sind:

1. Es muss eine gerade Anzahl von Spiegeln vorhanden sein, nicht weniger als sechs, wobei die Spiegel in Paaren angeordnet sind, welche im wesentlichen die gleiche Anisotropie aufweisen. Die angepassten Spiegel müssen nicht notwendigerweise benachbart sein.

2. Die Einfallsebene jedes Spiegels muss senkrecht zur Einfallsebene mindestens eines benachbarten Spiegels im Laserstrahlweg sein. Sie kann senkrecht zu der Einfallsebene beider benachbarter Spiegel im Laserstrahl weg sein. Die benachbarten Spiegel können bezüglich der Anisotropie einander angepasst sein.

3. Die Einfallswinkel beider Spiegel in jedem angepassten Paar müssen gleich sein.

Falls eine der drei obgenannten Anforderungen nicht erfüllt wird, werden die anisotropen Eigenschaften nicht ausgelöscht. Bei einigen Apparaturen kann ein kleiner Anisotropie-Beitrag toleriert werden und eine kleine Abweichung von den drei Erfordernissen ist erlaubt. In diesem Sinn kann gesagt werden, dass die drei Erfordernisse nur im wesentlichen erfüllt sein müssen.

In den Fig. 1 bis 7 ist eine typische Anordnung mit sechs Spiegeln dargestellt. Diese Anordnung erfordert drei Spiegelpaare mit angepassten anisotropen Eigenschaften in jedem Paar. Die angepassten Spiegelpaare müssen nicht benachbarte Spiegel umfassen. Die Spiegelpaare J-L, M-N, K-0 sollen als angepasste Paare betrachtet werden. D. h., dass jeweils J und L, M und N, K und O im wesentlichen die gleichen anisotropen Eigenschaften aufweisen müssen.

Die Einfallsebenen der benachbarten Spiegel sind orthogonal. Die Einfallsebene des Spiegels J wird durch die Strahlen OJ und JK definiert. Die Einfallsebene des Spiegels K wird durch die Strahlen JK und KL definiert. Die Einfallsebene des Spiegels L wird durch die Strahlen KL und LM definiert. Die Einfallsebene des Spiegels M wird durch die Strahlen LM und MN definiert. Die Einfallsebene des Spiegels N wird durch die Strahlen MN und NO definiert. Die

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Einfallsebene des Spiegels O wird durch die Strahlen NO und OJ definiert. D. h., dass die Einfallsebene des Spiegels J senkrecht zu derjenigen der Spiegel K und O ist. Die Einfallsebene des Spiegels K ist senkrecht zu derjenigen der Spiegel J und L. Die Einfallsebene L ist senkrecht zu derjenigen der Spiegel K und M. Die Einfallsebene des Spiegels M ist senkrecht zu derjenigen der Spiegel L und N. Die Einfallsebene des Spiegels N ist senkrecht zu derjenigen der Spiegel M und O. Die Einfallsebene des Spiegels O ist senkrecht zu derjenigen der Spiegel N und J. Die Einfallsebenen der dargestellten sechs Spiegel sind zu den, den Block 10 vor der Abschrägung definierenden, sechs Seitenflächen des rechtwinkligen Parallelepipeds parallel und benachbart zu denselben. Deshalb wird die zweite Anforderung erfüllt.

Gemäss den Fig. 1 bis 8 betragen die Einfalls- und Reflexionswinkel 45°. Deshalb wird die dritte Anforderung erfüllt. Die Winkel müssen nicht 45° betragen. Es ist lediglich notwendig, dass die Einfallswinkel jedes angepassten Paares J-L, M-N, K-0 angepasst sind.

Ein Ausführungsbeispiel mit 4 angepassten Spiegelpaaren ist in den Fig. 8 bis 14 dargestellt. Die Spiegelpaare werden willkürlich als A-D, C-G, E-F, B-H gewählt.

Die Einfallsebenen der Spiegel A, B, C, D, E, F, G, H werden durch die Strahlen HA und AB, AB und BC, BC und CD, CD und DE, DE und EF, EF und FG, FG und GH, und GH und HA definiert. Die Einfallsebenen der benachbarten Spiegel B und C, D und E, F und G und H und A sind senkrecht zueinander. Daraus folgt, dass die zweite Anforderung erfüllt wird. Gemäss dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 ist die Einfallsebene jedes Spiegels einer Seitenfläche eines rechtwinkligen Parallelepipeds benachbart, wobei zwei Spiegel je zwei Seitenflächen gemeinsam haben.

Alle Spiegel gemäss den Fig. 8 bis 14 weisen Einfalls- und Reflexionswinkel von 45° auf. Sie brauchen nicht 45° zu betragen, vorausgesetzt, dass die Einfalls- und Reflexionswinkel des Spiegels bei jedem Spiegel der ausgewählten angepassten Paare A-D, C-G, E-F, B-H die gleichen sind. Deshalb wird die dritte Anforderung erfüllt.

Die Blöcke 10 und 12 sind im wesentlichen als Würfel dargestellt, wobei gewisse Kanten abgeschrägt sind, um einen Spiegel mit dem gewünschten Neigungswinkel zu tragen. Es sei festgestellt, dass die Form des Blockes nicht kritisch ist; die Spiegel könnten durch nicht dargestellte Löcher in den 5 Block eingefügt werden, um im gewünschten Winkel in bezug auf den Laserstrahlweg positioniert zu werden.

Die Laserkavität ist nicht dargestellt. Die Laserkavität umgibt den Laserstrahlweg und ist gewöhnlich nur eine Bohrung innerhalb des Blockes. Die Laserkavität wird mit einem io verstärkenden Medium, wie z. B. Helium-Neon-Gas gefüllt.

Damit ein Lasereffekt auftritt, müssen Teile des Laserstrahlweges, bezeichnet als Verstärkungsabschnitte, angeregt werden. Ein Mittel zur Anregung des Gases ist das Anbringen einer Kathode (nicht gezeigt) und eines Paares von Anoden 15 (nicht gezeigt) am Block 10, 12 in solchen Lagen, dass der Elektronen- und Ionenfluss zwischen den Elektroden das verstärkende Medium in den Verstärkungsabschnitten anregt. Bei einem Ringlaser-Gyroskop müssen die Elektroden so angeordnet sein, dass der Elektronen- und Ionenfluss aufge-20 trennt wird und in entgegengesetzten Richtungen durch das Verstärkermedium fliesst, um zwei oder mehr Gruppen von Wellen zu erzeugen, wobei ein Teil sich in einer Richtung und ein anderer Teil sich in der anderen Richtung entlang dem Laserstrahlweg ausbreitet.

25 Im weiteren können Mittel vorgesehen sein, um einen oder mehrere der Spiegel zu bewegen, um die Resonatorlänge abzustimmen und die Resonatorlänge abwechselnd zu verkürzen und zu verlängern (dither). Optische Mittel, wie z. B. halbdurchlässige Spiegel und Prismen (nicht dargestellt) kön-30 nen verwendet werden, um Strahlung vom Ringlaser weiterzuleiten und sie zur weiteren Verarbeitung des Signals auf einen Strahlungssensor (nicht dargestellt) zu richten, um ein Signal zu erzeugen, welches ein Mass für die Winkelgeschwindigkeit des Ringlasers um eine bestimmte Achse ist. 35 Es könnte auch wünschenswert sein, mit dem Ziel, einen optimalen Ringlaser für ein Gyroskop zu schaffen, einen Kristall und/oder magnetische Felder in den Laserstrahlweg einzufügen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Nicht ebener Ringlaser mit mindestens drei ausgewählten Spiegelpaaren im Laserstrahlweg, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spiegel jedes Paares aufeinander abgestimmte Reflexions-Anisotropien aufweist, die im wesentlichen die gleichen sind wie die Reflexions-Anisotropien des anderen Spiegels in seinem Spiegelpaar, wobei die Einfallsebene jedes Spiegels im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene mindestens eines der benachbarten Spiegel im Laserstrahlweg ist und die Einfallswinkel für beide Spiegel in jedem der ausgewählten aufeinander abgestimmten Spiegelpaare im wesentlichen gleich sind.

2. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen aufeinander abgestimmten Reflexions-Anisotropieri Phasen- und Dämpfungsanisotropien sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der P- und S-Reflexionsgrad an einem Spiegel jedes der aufeinander abgestimmten Paare im wesentlichen gleich dem P- und S-Reflexionsgrad am anderen Spiegel des Paares ist.

4. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Spiegel geometrisch so positioniert sind, dass die Einfallesebene jedes Spiegels parallel und benachbart zu je einer Fläche eines rechtwinkligen Parallelepipeds ist.

5. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass acht Spiegel geometrisch so positioniert sind, dass die Einfallsebene jedes der Spiegel einer Seitenfläche eines rechtwinkligen Parallelepipeds benachbart ist, wobei je zwei Spiegel je eine Seitenfläche gemeinsam haben.

6. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander abgestimmten Spiegel benachbart sind und die Beziehung zwischen den Spiegeln in jedem Paar der aufeinander abgestimmten Spiegel im wesentlichen durch die Gleichung

C(8) R (90°) C (5) = xy R (90°)

gegeben ist, wobei die Jones Matrix einen anisotropen Spiegel mit im wesentlichen linearer Doppelbrechung darstellt, wobei die Doppelbrechung mit dem Einfallswinkel variiert, x und y die P- und S-Reflexionsgrade beider Spiegel darstellen, i die imaginäre Einheit /—T und

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ist, wobei R eine Rotation der Einfallsebene um 90° nach Reflexion vom ersten Spiegel an jenem Paar der aufeinander abgestimmten Spiegel darstellt.